Παρότι γνωρίζουμε ότι ο ύπνος είναι θεμελιώδης για την ψυχική και σωματική μας υγεία, παραμένει μία από τις μεγαλύτερες αινιγματικές συμπεριφορές επιστημονικά. Ερευνητές του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν υποστηρίζουν τώρα πως ανέπτυξαν μια νέα θεωρία που ενδέχεται να εξηγεί έναν από τους πιο μυστηριώδεις μηχανισμούς του ύπνου.

Όλα τα ζωντανά πλάσματα που κοιμούνται φαίνεται να ακολουθούν τον ίδιο βασικό ρυθμό ύπνου: από την κατάσταση της εγρήγορσης, περνούν σε έναν κυκλικό επαναλαμβανόμενο ύπνο που περιλαμβάνει στάδια με χαμηλή εγκεφαλική δραστηριότητα (non-REM) και στη συνέχεια ένα στάδιο έντονης εγκεφαλικής δραστηριότητα: ο κύκλος ύπνου REM, στο οποίο παράγονται τα όνειρα. Σε αυτό το στάδιο, τα μάτια κινούνται γρήγορα πίσω από τα βλέφαρα, εξ ου και το όνομά του (Rapid Eye Movement).

Παρότι υπάρχουν κάποιες εξαιρέσεις, όπως οι ασθενείς με ναρκοληψία ή τα άτομα που δεν έχουν κοιμηθεί επί μέρες, αυτή η επαναλαμβανόμενη εναλλαγή non-REM και REM ύπνου είναι σχεδόν καθολική στο ζωικό βασίλειο. Η εξελικτική της διατήρηση, σύμφωνα με την καθηγήτρια Sara Aton, υποδεικνύει ότι η συγκεκριμένη αλληλουχία είναι κρίσιμη. «Και ποτέ δεν συμβαίνει ανάποδα, εκτός αν κάτι έχει διαταράξει σοβαρά το σύστημα», σημειώνει χαρακτηριστικά.

Η θεωρία των… θάμνων της μνήμης

Η ομάδα της Aton, σε συνεργασία με τον Michal Zochowski, ανέπτυξε μια θεωρία που βασίζεται τόσο σε πειραματικές παρατηρήσεις σε ποντίκια όσο και σε υπολογιστικά μοντέλα του εγκεφάλου. Για να εξηγήσουν καλύτερα το συμπέρασμα της ανάλυσης τους, συγκρίνουν τους κύκλους ύπνου με τους θάμνους. Όπως εξηγούν, αν οι μνήμες ήταν θάμνοι, τότε ο ύπνος non-REM βοηθά να μεγαλώσουν και να δυναμώσουν, ενώ ο REM ύπνος αναλαμβάνει το «κλάδεμα» για να διατηρηθούν καθαρές, διακριτές και χωρίς να επικαλύπτονται μεταξύ τους.

«Αν αλλάξει η σειρά, και έρθει πρώτα το REM στάδιο, τότε “κλαδεύονται” τα πάντα και δεν απομένει καμία μνήμη», λέει η Aton. «Όταν όμως η σειρά είναι σωστή, το non-REM ενισχύει τις απαραίτητες πληροφορίες και το REM εξαλείφει τις επικαλύψεις από άσχετες μνήμες».

Σε πειράματα με ποντίκια, οι επιστήμονες παρατήρησαν τη λειτουργία του ύπνου στην αποθήκευση απλών μνημών, όπως η σύνδεση ενός νέου χώρου στον οποίον τοποθετούνταν με ένα ήπιο ηλεκτρικό σοκ, το οποίο τα διαπερνούσε κάθε φορά που αλλάζαν χώρο.  Τα ποντίκια κοιμούνταν μετά το γεγονός, επιτρέποντας στους ερευνητές να παρακολουθήσουν ποια μέρη του ιππόκαμπου ήταν ενεργά κατά τα διαφορετικά στάδια του ύπνου, σε σύγκριση με μια αντίστοιχη ομάδα ελέγχου, δηλαδή μια αντίστοιχη ομάδα πειραματικών ποντικιών που όμως δεν είχε βιώσει το ηλεκτρικό σοκ.

Η συνεισφορά του μοντέλου

Όπως σημειώνει ο Zochowski, τα σημερινά εργαλεία δεν επιτρέπουν την παρακολούθηση κάθε ξεχωριστού νευρώνα που εμπλέκεται σε μία μνήμη. Εκεί έρχεται να βοηθήσει το υπολογιστικό μοντέλο, το οποίο μεταφράζει τη διαδικασία αποθήκευσης μνήμης σε μεταβολές στην ενεργοποίηση κυκλωμάτων νευρώνων, υπό την επίδραση της ακετυλοχολίνης, μιας ουσίας που ρυθμίζει τη δραστηριότητα του εγκεφάλου.

«Μπορούμε να προσομοιώσουμε και να εντοπίσουμε ποιοι νευρώνες ενεργοποιούνται από ένα μαθησιακό γεγονός», λέει η Aton. «Μπορούμε να μοντελοποιήσουμε τις μεταβολές που προκαλεί η ακετυλοχολίνη κατά τη διάρκεια των φάσεων ύπνου».

Το μοντέλο συνδυάζει διεγερτικούς και ανασταλτικούς νευρώνες, που είτε ενισχύουν είτε καταστέλλουν τη δραστηριότητα άλλων, αντίστοιχα. Συνδυάζοντας αυτούς τους δυναμισμούς με δεδομένα από πραγματική εγκεφαλική δραστηριότητα και επίπεδα ακετυλοχολίνης, το μοντέλο προσφέρει πρόσβαση σε συμπεράσματα που μέχρι πρότινος ήταν απρόσιτα.

Εφαρμογές και επόμενα βήματα

Αν η θεωρία επιβεβαιωθεί, θα μπορούσε να εξηγήσει πολλές καθημερινές εμπειρίες, όπως τη βελτίωση της μνήμης μετά από έναν καλό ύπνο. «Αν έχεις τρία επαγγελματικά ραντεβού την ίδια μέρα, ο non-REM ύπνος θα ενισχύσει τη μνήμη κάθε ραντεβού, ενώ ο REM θα ξεχωρίσει το ποιος είπε τι, σε ποιο ραντεβού», λέει ο Zochowski.

Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό PLoS Computational Biology και χρηματοδοτήθηκε από το National Science Foundation, την Chan Zuckerberg Initiative και τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας των ΗΠΑ. Το έργο αποτέλεσε συνέχεια τεχνολογικών εξελίξεων που ενισχύθηκαν τα τελευταία δώδεκα χρόνια μέσω της πρωτοβουλίας BRAIN (Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies).

Ωστόσο, οι επιστήμονες επισημαίνουν ότι η θεωρία δεν αποτελεί ακόμη οριστικό συμπέρασμα. Το μοντέλο παραμένει απλοποιημένο και οι πειραματικές συνθήκες αφορούν σχετικά απλές μορφές μνήμης. «Τώρα έχουμε μια μελέτη που λέει: αυτό θα μπορούσε να συμβαίνει. Το επόμενο βήμα είναι να αποδείξουμε ότι πράγματι συμβαίνει», καταλήγει ο Zochowski.